專利名稱：一種預成核超音速渦流管天然氣脫水方法
技術領域：
本發明涉及一種利用壓差產生溫降，用于脫除氣體中的高沸點組分的氣液分離預成核超音速渦流管天然氣脫水方法。
背景技術：
科技人員發現利用超音速渦流管技術和井口壓力能形成低溫，可分離天然氣中的水和重烴等高沸點組分。針對超音速渦流管脫水技術，Translang和Twister公司形成的專利1.《Supersonic separator apparatus and method》 (US6776825B2)2. ((Method of and apparatus for the separation of components of gasmixtures and liquefaction of a gas)) (US6372019B1)3.《Nozzle for supersonic gas flow and an inertia separator》 (US6513345B1)國內形成(申請)的超音速渦流管的專利1.《錐芯式超音速冷凝旋流分離器》(CN200810011258.6)2.《一種超音速旋流凝結組合噴管》(CN200610105199.X)3.《多進氣道超音速旋流分離與回壓裝置》(CN200610043158.2)4.《一種低流動阻力超音速氣體凈化分離裝置》(CN200810224499.9)5.《超音速高效氣液分離器》(CN200520078930. 5)6.《新型天然氣超音速旋流分離器》(CN200520111901.4)7.《渦流氣體凈化分離裝置》(CN200410074338. 8)8.《超聲速旋流天然氣分離器的超聲速擴壓器》(CN200710013703.8)9.《超聲速旋流天然氣分離器的超聲速噴管》(CN200810157472. 2)上述國內外專利中所陳述技術的工作原理均是利用壓力經拉伐爾噴管加速至超音速降壓降溫產生冷凝，而在加速前或后設有渦流發生器產生高速渦流。高速旋轉的低溫流體在離心力的作用下使凝結產生的液體附在管壁，而氣體則在管道中心位置，通過不同管徑的氣、液相收集管實現氣液分離。氣相部分經擴壓管部分恢復壓力后外輸。超音速渦流管脫水工藝屬于冷凍法脫水，工藝核心為低溫條件下的氣液分離過程，即液體在低溫時凝結成核、長大并在高速旋轉過程中與氣體實現分離的過程。其中的液滴成核技術是超音速渦流管氣液分離的關鍵之一。冷凍法傳統的成核方式為自然成核。然而超音速狀態下，在如此短的時間和空間內要較佳地成核較為困難，成核粒徑和成核數目也均難以掌握。這種不受控的自然成核過程將導致超音速渦流管的氣液分離效率低下，露點降較低，要求的壓降較大。除此以外，不受控的自然成核過程應用于低溫時易產生固體 (天然氣水合物、固體二氧化碳或冰等固體)的場合時，由于粒徑分布較廣，會因為大粒徑晶核率先長大，并在過冷度較大時形成固體進而堵塞管路。
發明內容
本發明的目的是提供一種設有預成核部件的預成核超音速渦流管，用于氣液分離，特別是天然氣脫水、脫烴過程，提高氣液分離效率，增大露點降，降低壓降要求和防止管
路堵塞。由于晶核粒徑小會使得成長到一定尺寸所需的周期長，在生產過程中，晶核過小未長大到一定程度的小液滴將難以分離，這就會降低分離效率。而晶核粒徑大則會因成長過大影響流動，甚至會凝結成為固體堵塞管道。本專利在超音速渦流管入口前端采用晶核聚結技術或晶核注入與聚結相結合的技術可有效控制成核的粒徑和成核數目，提高凝結效率，避免堵塞，優化超音速渦流管氣液分離性能。本發明所述的預成核超音速渦流管由11個部件組成。其中成核劑入口、成核劑出口和聚結成核器為本發明的核心部件。由原料氣進口進入預成核超音速渦流管的原料氣氣質組成較為復雜，要實現對其液滴粒徑的有效控制首先應有適合的液滴數量。若游離水較少需添加成核劑，而游離水較多時則需要排出成核劑。成核劑入口和成核劑出口就是起這樣的作用。成核劑入口設有霧化噴嘴，可產生一定數量適合粒徑的液滴。成核劑可以是專門開發的成核劑、緩蝕劑或水合物抑制劑。是否添加成核劑，添加劑量為多少是由原料氣的現有液滴粒徑和數量與需要的粒徑和數量之間的關系所決定的。聚結成核器由不同孔徑的多層材料組成，是預成核超音速渦流管最核心的部件。 不同孔徑的多層材料沿氣流方向按孔徑遞增的規律排列。大粒徑顆粒不能通過聚結成核器，而小粒徑液滴將在流動過程中發生聚結形成較大的液滴。通過改變最后一層的孔徑，并在其它層配置適合的孔徑分布梯度，能夠促使通過聚結成核器液滴的粒徑在一定范圍內較為均勻地分布，可達到粒徑控制的目的，進而有利于預成核超音速渦流管的優化運行。預成核超音速渦流管氣液分離依靠旋轉產生的高離心力。經過預成核處理后的原料氣通過渦流發生器產生氣液分離所需的高速旋轉。渦流發生器由渦流發生器葉片和渦流發生器本體組成。其中，幾個具有一定傾角的渦流發生器葉片是產生垂直于氣流方向旋轉的主要部件。旋轉氣流緊接著流經的部件是拉伐爾噴管。縮放結構的噴管可使氣流加速到超音速狀態。在加速的同時，氣流溫度也會降低發生冷凝過程，高沸點組分將凝結為液體。預先成核的主要目的就是要提高此處的冷凝效率，并避免高沸點組分過度凝結為固體堵塞管道的發生。拉伐爾噴管處凝結的液體在渦流發生器產生旋轉的高離心力作用下會緊貼管道壁面進入分液腔，分液腔內的流體將經冷凝液出口排出預成核超音速渦流管。拉伐爾噴管噴管出口中心部分的氣體則在擴壓管內減速增壓經由干氣出口出預成核超音速渦流管。在流出預成核超音速渦流管前，為了防止高速渦流對下游的影響，設置了整流器以消除渦流。整流器由整流器葉片和整流器本體組成。整流器葉片無傾角，與氣流方向平行。與背景技術比較，本發明專利結合霧化噴射、聚結、渦流、拉伐爾噴管和超音速擴壓等技術，通過對原料氣中的顆粒粒徑主動控制，去除大、小粒徑的顆粒，進而對液滴成核和生長過程進行有效控制，可提高氣液分離效率，增大露點降，減少壓降，并防止堵塞的發生。本專利可用于天然氣、油田伴生氣、煤層氣和合成氣等有可用壓差氣體的脫水、脫烴，在天然氣田、油田、煉油廠、化工廠和凈化廠等場合都可能得以應用，用途十分廣泛，應用前景較好。
圖1預成核超音速渦流管結構示意圖。
圖2聚結成核器結構示意圖。圖3渦流發生器結構示意圖。圖4整流器結構示意圖。圖5預成核超音速渦流管天然氣脫水工藝流程圖其中1-原料氣進口 2-成核劑入口 3-成核劑出口 4-聚結成核器 5-渦流發生器6-拉伐爾噴管7-分液腔8-擴壓管9-整流器10-干氣出口 11-冷凝液出口 12-渦流發生器葉片 13-渦流發生器本體 14-整流器葉片 15-整流器本體 16-原料氣儲罐17-原料氣分離器18-原料氣過濾分離器19-氣氣換熱器20-精細過濾器21-預成核超音速渦流管22-氣水分離器23-脫水干氣罐24-水儲罐25-水罐
具體實施例方式預成核超音速渦流管實施以高壓天然氣脫水為例進行說明，其工藝流程如圖5所示。由原料氣儲罐16、原料氣分離器17、原料氣過濾分離器18、氣氣換熱器19、精細過濾器 20、預成核超音速渦流管21、氣水分離器22、脫水干氣罐23、水儲罐M和排水罐25構成；原料氣儲罐16通過原料氣分離器17和原料氣過濾分離器18連接；原料氣過濾分離器與氣氣換熱器19連接；氣氣換熱器19與精細過濾器20連接；精細過濾器20與預成核超音速渦流管21的原料氣進口 1連接；預成核超音速渦流管21冷凝液出口 11與氣水分離器22連接；預成核超音速渦流管21的干氣出口 10通過氣氣換熱器19與脫水干氣罐23連接；原料氣分離器17、原料氣過濾分離器18和氣水分離器22與水儲罐M連接，水儲罐M 與排水罐25連接。預成核超音速渦流管由原料氣進口 1、成核劑入口 2、成核劑出口 3、聚結成核器4、 渦流發生器5、拉伐爾噴管5、分液腔7、擴壓管8、整流器9、干氣出口 10、冷凝液出口 11構成；原料氣進口 1和干氣出口 10分別位于預成核超音速渦流管的兩端，成核劑入口 2和成核劑出口 3分別位于原料氣進口 1端預成核超音速渦流管的頂部和底部，聚結成核器4位于渦流發生器5和成核劑入口 2、成核劑出口 3之間，固定在預成核超音速渦流管內壁上，渦流發生器5位于拉伐爾噴管5的入口處，拉伐爾噴管5位于整流器9和渦流發生器5之間， 固定在預成核超音速渦流管內壁上，擴壓管8呈喇叭形位于拉伐爾噴管5喇叭形的出口內將出口分割成分液腔7和干氣腔，整流器9位于擴壓管8喇叭出口端，干氣出口 10處。所述的成核劑入口 2設有霧化噴嘴，可產生一定數量適合粒徑的液滴。所述的聚結成核器4由不同孔徑的多層材料組成，不同孔徑的多層材料沿氣流方向按孔徑遞增的規律排列。所述的渦流發生器5由渦流發生器葉片12和渦流發生器本體13組成；渦流發生器本體13由半圓和圓錐體構成，渦流發生器葉片12均勻分布在半圓的圓周上，渦流發生器葉片12的傾角為垂直于氣流方向旋轉，圓錐體與拉伐爾噴管5的減縮喇叭口型對應。所述的整流器9由整流器葉片14和整流器本體15組成；整流器葉片14位于整流器本體15圓周上，傾角與氣流方向平行。含有飽和水和量游離水，壓力為8. OMPa，溫度為30°C的原料氣首先進入原料氣分離器17和原料氣過濾分離器18分別脫除大顆粒以減小高速條件下的磨蝕，過濾分離后的原料氣與干氣在氣氣換熱器19換熱降溫，經精細過濾器20除去細小固體顆粒后由原料氣進口 1進入預成核超音速渦流管21，由于原料天然氣中含有游離水可作為成核劑使用，本實例不另行加注成核劑，成核劑入口 2和成核劑出口 3加裝盲板進行密封不予使用。進入預成核超音速渦流管21的原料氣先通過聚結成核器4形成適合的粒徑，在渦流發生器5產生渦流旋轉后再經拉伐爾噴管6加速降溫。此時低溫凝結產生的微小液滴在預成的晶核上迅速長大，并在離心力的作用下附著于管壁進而進入分液腔7，再經冷凝液出口 11進入氣液分離器22實現分離。分離出的氣相匯入干氣。管中心氣流則在擴壓管8中減速恢復壓力至6. OMPa再通過整流器9消除渦流后由干氣出口 10與氣液分離器22分出的氣體混合進入氣氣換熱器19與原料氣換熱升溫，升溫后干氣23外輸。在原料氣分離器17、原料氣過濾分離器18和氣液分離器22產生的水匯入水儲罐M暫存，定期外排。通過ChemCAD計算得出，含水天然氣通過預成核超音速渦流管天然氣脫水工藝處理后，水露點達到_5°C，能夠滿足外輸的要求。
權利要求
1.一種預成核超音速渦流管天然氣脫水方法，其特征在于含有飽和水和少量游離水，壓力為S.OMPa，溫度為30°C的原料氣(16)首先進入原料氣分離器(17)和原料氣過濾分離器(18)分別脫除大顆粒以減小高速條件下的磨蝕，過濾分離后的原料氣與干氣在氣氣換熱器(19)換熱降溫并經精細過濾器O0)除去細小固體顆粒后由原料氣進口(1)進入預成核超音速渦流管(21)，從成核劑入口( 加入成核劑或從成核劑出口 C3)排除成核劑， 或原料天然氣中含有游離水可作為成核劑使用時，成核劑入口(2)和成核劑出口(3)加裝盲板進行密封，進入預成核超音速渦流管的原料氣先通過聚結成核器(4)形成適合的粒徑，在渦流發生器( 產生渦流旋轉后再經拉伐爾噴管(6)加速降溫；此時低溫凝結產生的微小液滴在預成的晶核上迅速長大，并在離心力的作用下附著于管壁進而進入分液腔(7)，再經冷凝液出口(11)進入氣液分離器02)實現分離，分離出的氣相匯入干氣；管中心氣流則在擴壓管(8)中減速恢復壓力至6. OMI^a再通過整流器(9)消除渦流后由干氣出口 (10)與氣液分離器0 分出的氣體混合進入氣氣換熱器(19)與原料氣換熱升溫，升溫后干氣03)外輸；在原料氣分離器(17)、原料氣過濾分離器(18)和氣液分離器02)產生的水匯入水儲罐04)暫存，定期外排。
2.根據權利要求1所述的一種預成核超音速渦流管天然氣脫水方法，其特征在于預成核超音速渦流管由原料氣進口(1)、成核劑入口 O)、成核劑出口(3)、聚結成核器、渦流發生器( 、拉伐爾噴管( 、分液腔(7)、擴壓管(8)、整流器(9)、干氣出口(10)、冷凝液出口(11)構成；原料氣進口(1)和干氣出口(10)分別位于預成核超音速渦流管的兩端， 成核劑入口( 和成核劑出口( 分別位于原料氣進口(1)端預成核超音速渦流管的頂部和底部，聚結成核器(4)位于渦流發生器( 和成核劑入口 O)、成核劑出口( 之間，固定在預成核超音速渦流管內壁上，渦流發生器( 位于拉伐爾噴管( 的入口處，拉伐爾噴管(5)位于整流器(9)和渦流發生器( 之間，固定在預成核超音速渦流管內壁上，擴壓管(8)呈喇叭形位于拉伐爾噴管(5)喇叭形的出口內將出口分割成分液腔(7)和干氣腔，整流器(9)位于擴壓管⑶喇叭出口端，干氣出口(10)處。
3.根據權利要求1所述的一種預成核超音速渦流管天然氣脫水方法，其特征在于聚結成核器由不同孔徑的多層材料組成，不同孔徑的多層材料沿氣流方向按孔徑遞增的規律排列。
4.根據權利要求1所述的一種預成核超音速渦流管天然氣脫水方法，其特征在于所述的成核劑入口 2設有霧化噴嘴，可產生適合粒徑的液滴。
5.根據權利要求1所述的一種預成核超音速渦流管天然氣脫水方法，其特征在于所述的渦流發生器(5)由渦流發生器葉片(1 和渦流發生器本體(1 組成；渦流發生器本體(13)由半圓和圓錐體構成，渦流發生器葉片(12)均勻分布在半圓的圓周上，渦流發生器葉片(12)的傾角為垂直于氣流方向旋轉，圓錐體與拉伐爾噴管(5)的減縮喇叭口型對應。
6.根據權利要求1所述的一種預成核超音速渦流管天然氣脫水方法，其特征在于所述的整流器(9)由整流器葉片(14)和整流器本體(1 組成；整流器葉片(14)位于整流器本體(15)圓周上，傾角與氣流方向平行。
全文摘要
本發明涉及一種預成核超音速渦流管天然氣脫水方法；原料氣進入原料氣分離器和原料氣過濾分離器脫除大顆粒，降溫經精細過濾器除去細小固體顆粒進入預成核超音速渦流管，從成核劑入口加入成核劑或從成核劑出口排除成核劑，通過聚結成核器形成適合的粒徑，在渦流發生器產生渦流旋轉后再經拉伐爾噴管加速降溫；在離心力的作用下進入分液腔，經冷凝液出口進入氣液分離器；管中心氣流通過整流器消除渦流后由干氣出口與氣液分離器分出的氣體混合進入氣氣換熱器與原料氣換熱升溫后外輸，原料氣分離器、原料氣過濾分離器和氣液分離器分離的水進入水儲罐外排；含水天然氣通過預成核超音速渦流管天然氣脫水工藝處理后，水露點達到-5℃，滿足外輸的要求。
文檔編號B01D45/16GK102166464SQ20101011552
公開日2011年8月31日 申請日期2010年2月26日 優先權日2010年2月26日
發明者宋彬, 常宏崗, 溫冬云, 熊鋼, 計維安, 高曉根, 黃黎明 申請人:中國石油天然氣股份有限公司